DC—DC芯片反向大电流检测的设计

摘 要：提出了一种降压型电流模DC-DC芯片的反向大电流检测电路。该电路检测开关管之间的电压，与基准电压比较后输出逻辑信号控制开关管，将DC-DC芯片的反向电感电流门限设定为900mA，提高了芯片轻负载工作下的效率。

关键词：DC-DC芯片；轻负载；反向大电流

引言

DC-DC变换器芯片具有效率高、稳定性好、PCB板占用面积小等优点，在现在电子设计中应用特别广泛。不断提高DC-DC变换器的效率一直是此类芯片设计中的难点[1]。

为了提高工作效率，目前的市场上的DC-DC变化器芯片多采用峰值电流模PWM控制方式[2-3]。大多数情况下，芯片会工作在轻负载模式，因此尤其应该提高轻负载模式下的效率[4]。本文基于降压型DC-DC芯片，提出了一种新颖的片上反向大电流检测保护电路，在轻负载的情况下，当电感中的反向电流超过900mA时，输出信号IR2_OUT将同步开关管关断，防止了流过电感的反向电流过大而造成能量的浪费，提高了变换器轻负载工作下的效率。

1 反向大续流检测电路的设计思想

DC-DC芯片主开关管和同步开关管连接处SW点的电压可以反映电感电流的大小。在续流阶段，对SW点的电压进行采样得到IR_SW信号，将该信号与基准电压通过比较器进行比较。当反向电感电流超过900mA时，IR_SW的电压大于基准电压，此时比较器的输出IR2_OUT变为逻辑“1”将同步开关管关断，使续流阶段结束。

2 具体电路实现

图1是反向大电流检测模块的实际电路图，图中BJH1是芯片内部基准电流模块为本模块比较器正常工作提供的电流偏置；IR_GND是基准电压信号，它由基准电流流入电阻R1产生；IR_SW是续流阶段SW点电压的采样信号；SHUT和IR2CTL是本模块的逻辑使能信号；IR2_OUT是本模块的输出，它可以控制同步开关管的关断。

由图1可知，本模块中的比较器采用了的典型两级结构[5]。电路第一级使用二极管接法的MOS管作负载，第二级采用推挽式的输出结构。第二级中的M15和M18接成共源共栅的结构，提高了电路的电源抑制比。在设计当中，M20N的宽长比远大于M20P的宽长比，并且M21P的宽长比远大于M21N的宽长比，这样由M20N和M20P构成的整形非门上升沿翻转较快，由M21N和M21P构成的整形非门下降沿翻转较快，从而有利于输出信号IR2_OUT在由逻辑“0”变为逻辑“1”过程中的快速翻转。

为了保证变换器在绝大部分情况工作在连续导通模式下，电路的设计应该保证电感中可以流过一定的反向电流。然而在反向续流阶段，输出电容上储存的能量经电感和同步开关管流到地端，造成了能量的浪费，因此为了提高变换器轻负载下的效率，反向电感电流又不宜过大。经过折衷考虑，本设计中的反向续流门限设定为900mA。

在芯片正常工作的情况下，在任意工作周期当中，当主开关管关断后，逻辑控制同步开关管打开，变换器进入续流阶段，此时全局关断信号SHUT为逻辑“0”，使能信号IR2CTL为逻辑“1”，反向续流检测模块可以正常工作。在续流阶段，同步开关管、电感、负载和输出电容构成回路，电感中的储能通过回路释放。在这一过程中，IR_SW通过检测SW点的电压来检测同步开关管中的电流。在续流的开始阶段，电流由地流向电感，此时SW点的电压小于零，IR_SW的电压小于零。差分对管中的M2导通，M3截止，偏置电流全部流经M5，M6上几乎没有电流流过，这导致了M18截止，M19导通并处于线性工作区，M19的漏端电压与源端电压几乎相等，接近于地电位，IR2_OUT为逻辑“0”。当电感中的能量耗尽之后，由于电感电流不能突变，输出电容通过电感和同步开关管对地放电，电感中开始流过反向电流，此时SW和IR_SW的电压大于零且它们随着电感电流的增大而增大。当电感中的反向电流超过900mA时，IR_SW电压将超过基准电压IR_GND，IR2_OUT变为逻辑“1”，控制同步开关管关断，结束变换器的续流过程。

3 仿真结果

本文提出的电路应用于一款降压型单片DC-DC变换器中，芯片已经采用Hspice和Candence完成了电路前仿真设计。图2是在温度为25℃、电源电压VI为5V、全典型模型的情况下，IR2_OUT随反向电感电流变化的直流仿真曲线。由该图可知，使IR2_OUT由逻辑“0”变为逻辑“1”的反向电感电流门限约为900mA，这一结果满足设计要求。

参考文献

[1]袁冰，来新泉，李演明，等.便携应用DC-DC轻负载高效率的实现[J].半导体学报，2008，06，Vol.29（6）：1199-1202.

[2]陈东坡，何乐年，严晓浪.一种具有750mA输出电流，双模式PWM/

PFM控制的高效率直流-直流降压转换器[J].半导体学报，2008，08，Vol.29（8）：1614-1619.

[3]Yong Sun， Yizheng Ye， Fengchang Lai. Power efficient high speed switched current comparator[C]. The 7th International Conference on ASIC Proceeding. 2007， 10： 581-584.

[4]P.Midya， M.Greuel， P.T.Krein. Sensorless Current Mode Control-An Observer -Based Technique for DC-DC Converter[J]. IEEE Trans on Power Electronics. 2001， 07， Vol.16（4）： 522-526.

[5]畢查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿，程军，张瑞智译.西安：西安交通大学出版社，2003.

作者简介：曼茂立（1982-），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向：模拟集成电路设计，汽车电子。